JP2008147135A - 燃料電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 スタックの寸法変化を吸収することができ、かつ、反応ガスの供給効率を向上させることができる燃料電池を提供する。
【解決手段】 燃料電池（２００）は、複数のセル（１２）が積層されたスタック（１０）と、セル（１２）の積層方向にあるスタック（１０）の端面のうちいずれか一方の端面に設けられた第１配管部（２０）と、スタック（１０）の第１配管部（２０）とは反対側の端面に設けられた第２配管部（３０）とを備え、第１配管部（２０）、セル（１２）および第２配管部（３０）は、連通し、第１配管部（２０）および第２配管部（３０）のいずれか一方は、バネ配管により構成されることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、燃料電池に関する。

燃料電池は、一般的には水素および酸素を燃料として電気エネルギを得る装置である。この燃料電池は、環境面において優れており、また高いエネルギ効率を実現できることから、今後のエネルギ供給システムとして広く開発が進められてきている。

一般に燃料電池は、複数のセルが積層され、積層方向に所定の荷重をかけて締結されたスタック構造を有している。このようなスタックにおいては、スタックの熱膨張等により生じる積層方向の寸法変化を吸収するために、スタックのセルの積層方向にある端面のうちいずれか一方の端面にバネ等の寸法吸収装置が設けられている（例えば、特許文献１参照。）。

特開平８−４５５３５号公報

バネ等の寸法吸収装置に配管を設けることは困難である。そこで、スタックに水素、酸素等の反応ガスを供給するための供給口とこれらの反応ガスを排出するための排出口とをスタックの寸法吸収装置と反対側の端面に形成することが考えられる。しかしながら、反応ガスの供給口と排出口とをスタックの同一端面に形成すると、反応ガスはスタック内部で折り返されることになる。この場合、反応ガスの圧力損失が大きくなる。その結果、反応ガスの供給効率が低下する。

本発明は、スタックの寸法変化を吸収することができ、かつ、反応ガスの供給効率を向上させることができる燃料電池を提供することを目的とする。

本発明に係る燃料電池は、複数のセルが積層されたスタックと、セルの積層方向にあるスタックの端面のうちいずれか一方の端面に設けられた第１配管部と、スタックの第１配管部とは反対側の端面に設けられた第２配管部とを備え、第１配管部、前記セルおよび前記第２配管部は、連通し、第１配管部および第２配管部のいずれか一方は、バネ配管により構成されることを特徴とするものである。本発明に係る燃料電池においては、第１配管部および第２配管部のいずれか一方は、反応ガス用配管としての機能とともに、スタックの寸法吸収装置としての機能を有する。したがって、反応ガス用配管と寸法吸収装置とを別々に設ける必要がなくなる。その結果、反応ガス供給用配管をスタックのセルの積層方向にある端面のうち一方の端面に形成し、反応ガス排出用配管を他方の端面に形成することができる。この場合、反応ガスの入出口がスタックの片側の端面に設けられている場合に比較して、反応ガスの流動距離が短くなる。また、反応ガスの折り返し数が低減する。それにより、圧損が低下する。その結果、反応ガスの供給効率を向上させることができる。

上記構成において、第１配管部および第２配管部の両方ともバネ配管により構成されるものであってもよい。この構成によれば、スタックの片側にのみバネ配管が配置される場合に比較して、スタックの端部セルの変位量を抑制することができる。その結果、スタックの磨耗による燃料電池の寿命の低下を抑制することができる。

上記構成において、バネ配管は、コイルバネ形状を有する配管であってもよい。また、上記構成において、バネ配管は、内部に反応ガスが流動するための流路が形成された板バネからなるものであってもよい。この構成によれば、配管の内部に反応ガスを流動させることができ、かつ、配管自体がスタックの寸法変化を吸収することもできる。

上記構成において、第１配管部および第２配管部は、燃料ガスが流動するための燃料ガス配管と、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス配管とを含むものであってもよく、セルを冷却するための冷媒が流動するための冷媒配管を含むものであってもよい。

本発明によれば、スタックの寸法変化を吸収することができ、かつ、反応ガスの供給効率を向上させることができる燃料電池を提供することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図１は、本発明の第１実施例に係る燃料電池２００の模式的断面図である。図１に示すように、燃料電池２００は、スタック１０、第１配管部２０、第２配管部３０およびケース部４０を備える。

スタック１０は、積層された複数のセル１２、ターミナル１４ａ，１４ｂおよびインシュレータ１６ａ，１６ｂを備える。セル１２は、セパレータ、アノード、電解質、カソードおよびセパレータが順に積層された構造を有する。各セパレータには、燃料ガスが流動するための燃料ガス流路、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス流路、および、冷媒が流動するための冷媒流路が設けられている。以下、燃料ガスおよび酸化剤ガスを総称して反応ガスと称する。セル１２は、反応ガスを用いて発電を行う。本発明においては、燃料ガスとして水素ガスを用い、酸化剤ガスとして酸素を含んだエアを用いる。

セル１２の積層体の積層方向にある端面のうち、第１配管部２０側の端面には、ターミナル１４ａが積層されている。一方、セル１２の積層体の積層方向にある端面のうち、第２配管部３０側の端面には、ターミナル１４ｂが積層されている。ターミナル１４ａ，１４ｂは、セル１２における発生電力を外部に取り出すための配線等を備えている。

ターミナル１４ａのセル１２と反対側の面には、インシュレータ１６ａが積層されている。一方、ターミナル１４ｂのセル１２と反対側の面には、インシュレータ１６ｂが積層されている。インシュレータ１６ａ，１６ｂは、絶縁体により構成され、セル１２からの漏電を防止する。

セル１２、ターミナル１４ａ，１４ｂおよびインシュレータ１６ａ，１６ｂには、図示されてはいないが、燃料ガスが流動するための燃料ガス用マニホールド、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス用マニホールドおよび冷媒が流動するための冷媒用マニホールドが設けられている。

インシュレータ１６ａのターミナル１４ａと反対側の面には、第１配管部２０が設けられている。第１配管部２０は、燃料ガスが流動するための燃料ガス配管１００と、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス配管１１０と、セル１２を冷却するための冷媒が流動するための冷媒配管１２０とから構成される。インシュレータ１６ｂのターミナル１４ｂと反対側の面には、第２配管部３０が設けられている。第２配管部３０は、燃料ガスが流動するための燃料ガス配管３１と、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス配管３２と、セル１２を冷却するための冷媒が流動するための冷媒配管３３とから構成される。

燃料ガス配管１００は、スタック１０の燃料ガス用マニホールドおよび各セル１２の燃料ガス流路を介して燃料ガス配管３１に連通する。酸化剤ガス配管１１０は、スタック１０の酸化剤ガス用マニホールドおよび各セル１２の酸化剤ガス流路を介して酸化剤ガス配管３２に連通する。また、冷媒配管１２０は、スタック１０の冷媒用マニホールドおよび各セルの冷媒流路を介して冷媒配管３３に連通する。

ケース部４０は、エンドプレート４２ａ，４２ｂおよび複数のテンションプレート４４を備える。エンドプレート４２ａは、インシュレータ１６ａのターミナル１４ａと反対側の面に、第１配管部２０を介して積層されている。エンドプレート４２ｂは、インシュレータ１６ｂのターミナル１４ｂと反対側の面に積層されている。エンドプレート４２ａ，４２ｂは、複数のテンションプレート４４によって締結されている。それにより、スタック１０には締結荷重が与えられている。この場合の締結荷重は、例えば、１ＭＰａ〜２ＭＰａ程度である。

燃料ガスは、エンドプレート４２ａの開口部５５から供給され、燃料ガス配管１００を通り、スッタク１０の燃料ガス用マニホールドを通り、燃料ガス配管３１から排出される。酸化剤ガスは、エンドプレート４２ａの開口部５５から供給され、酸化剤ガス配管１１０を通り、スッタク１０の酸化剤ガス用マニホールドを通り、酸化剤ガス配管３２から排出される。冷媒は、エンドプレート４２ａの開口部５５から供給され、冷媒配管１２０を通り、スッタク１０の冷媒用マニホールドを通り、冷媒配管３３から排出される。なお、図１において、反応ガスおよび冷媒の流動方向を矢印で示す。

図２は、第１配管部２０を拡大して模式的に示した図である。図２に示すように、燃料ガス配管１００、酸化剤ガス配管１１０および冷媒配管１２０は、それぞれコイルバネ形状に加工された構造を有する。すなわち、第１配管部２０は、コイルバネ形状を有するバネ配管により構成されている。

図１および図２に示す構成によれば、第１配管部２０は、配管の内部に反応ガスを流動させることができるとともに、スタック１０の熱膨張等に伴う寸法変化を吸収することができる。すなわち、第１配管部２０は、反応ガス用配管としての機能とともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。

したがって、本実施例に係る燃料電池２００においては、反応ガス用配管と寸法吸収装置とを別々に設ける必要がなくなる。その結果、反応ガス供給用配管をスタック１０のセル１２の積層方向にある端面のうち一方の端面に形成し、反応ガス排出用配管を他方の端面に形成することができる。この場合、反応ガスの入出口がスタックの片側の端面に設けられている場合に比較して、反応ガスの流動距離が短くなる。また、反応ガスの折り返し数が低減する。それにより、圧損が低下する。その結果、反応ガスの供給効率を向上させることができる。同様に、冷媒の供給効率も向上する。

（変形例１）
図３は、本実施例の変形例１に係る第１配管部２０ａを模式的に示した図である。図３に示すように、第１配管部２０ａは、それぞれコイルバネ形状を有する燃料ガス配管１００ａ、酸化剤ガス配管１１０ａおよび冷媒配管１２０ａが、束になって１つのコイル形状に加工された構造を有する。この場合においても、第１配管部２０ａは、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。

（変形例２）
図４は、本実施例の変形例２に係る第１配管部２０ｂを模式的に示した図である。図４に示すように、第１配管部２０ｂは、図１に示す燃料ガス配管１００、酸化剤ガス配管１１０および冷媒配管１２０の代わりに、燃料ガス配管１００ｂ、酸化剤ガス配管１１０ｂおよび冷媒配管１２０ｂを備える。燃料ガス配管１００ｂ、酸化剤ガス配管１１０ｂおよび冷媒配管１２０ｂは、内部に反応ガスまたは冷媒が流動する板バネ形状に加工されている。この場合においても、第１配管部２０ｂは、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。

（変形例３）
図５は、本実施例の変形例３に係る第１配管部２０ｃを模式的に示した図である。図５に示すように、第１配管部２０ｃは、それぞれ板バネ形状を有する燃料ガス配管１００ｃ、酸化剤ガス配管１１０ｃおよび冷媒配管１２０ｃが、束になって１つの板バネ形状に加工された構造を有する。この場合においても、第１配管部２０ｃは、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。

（変形例４）
図６は、本実施例の変形例４に係る第１配管部２０ｄを模式的に示した図である。図６に示すように、第１配管部２０ｄは、図１に示す燃料ガス配管１００、酸化剤ガス配管１１０および冷媒配管１２０の代わりに、燃料ガス配管１００ｄ、酸化剤ガス配管１１０ｄおよび冷媒配管１２０ｄを備えている。第１配管部２０ｄの各配管は、コイルバネ６０の周りを蛇腹６５で覆ったバネ配管からなる。この場合においても、第１配管部２０ｄは、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。

また、図２〜図５に示したバネ配管の材質は、内部に反応ガス等を流すことができ、かつ、バネ形状に加工することができるものであれば、特に限定はされない。ただし、バネとしての特性を考慮すると、高弾性率を有する材料であることが好ましい。例えば、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等がこれらの配管用材質として挙げられる。

また、図６に示したバネ配管において、蛇腹６５の材質は、反応ガス等が漏洩せずに内部を通ることができるものであれば、特に限定されない。また、コイルバネ６０の材質も、例えばＳＵＳ等のようにバネとしての特性を有するものであれば、特に限定されない。

また、図１において、燃料ガスおよび酸化剤ガスは、一方向に流れるのであれば、必ずしも同一方向に流れる必要はなく、別々の方向に流れるものであってもよい。例えば、図１において、燃料ガスは矢印方向に流れ、酸化剤ガスは矢印とは反対方向に流れるものであってもよい。

また、上記変形例１〜４に示すように、第１配管部は、反応ガス用配管として機能しかつスタック１０の寸法吸収装置として機能できるものであれば、特に限定されるものではない。

続いて、本発明の第２実施例に係る燃料電池２００ａについて説明する。図７は、燃料電池２００ａの模式的断面図である。図７に示すように、燃料電池２００ａは、図１に示す第２配管部３０の代わりに第２配管部３０ａを備える。第２配管部３０ａは、図２〜図６のいずれかに示すバネ配管により構成される。そのため、第１配管部２０および第２配管部３０ａは、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

本実施例に係る燃料電池２００ａにおいては、反応ガス用配管と寸法吸収装置とを別々に設ける必要がなくなる。その結果、反応ガス供給用配管をスタック１０のセル１２の積層方向にある端面のうち一方の端面に形成し、反応ガス排出用配管を他方の端面に形成することができる。この場合、反応ガスの入出口がスタックの片側の端面に設けられている場合に比較して、反応ガスの流動距離が短くなる。また、反応ガスの折り返し数が低減する。それにより、圧損が低下する。その結果、反応ガスの供給効率を向上させることができる。同様に、冷媒の供給効率も向上する。

また、燃料電池２００ａにおいては、外部拘束部材が設けられている場合に各セル１２の磨耗を抑制することができる。以下、詳細を説明する。図８（ａ）〜図８（ｄ）は、磨耗抑制効果について説明するための図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、図１に示した燃料電池２００のスタック１０が熱膨張により寸法拡大した場合を模式的に図示したものである。一方、図８（ｃ）および図８（ｄ）は、図７に示した燃料電池２００ａのスタック１０が熱膨張により寸法拡大した場合を模式的に図示したものである。

なお、図８（ａ）〜図８（ｄ）に示すように、スタック１０の側壁には、板状の外部拘束部材１５０が設けられている。外部拘束部材１５０は、各セル１２の位置ずれを抑制する拘束部材である。

まず、スタック１０が熱膨張によりセルの積層方向にΔＬ１だけ膨張する場合を想定する。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、燃料電池２００においては、第１配管部２０側端のセル１２は、セルの積層方向にΔＬ１移動する。一方、図８（ｃ）および図８（ｄ）に示すように、燃料電池２００ａにおいては、第１配管部２０側端のセル１２および第２配管部３０ａ側端のセル１２は、それぞれΔＬ２（ΔＬ２＝１／２・ΔＬ１の関係を有する）移動する。

すなわち、燃料電池２００ａにおいては、スタック１０が寸法変化した場合におけるセル１２の移動量を抑制することができる。その結果、セル１２と外部拘束部材１５０との接触によるセル１２の磨耗を抑制することができる。その結果、燃料電池２００ａの寿命の低下が抑制される。

続いて、本発明の第４実施例に係る燃料電池２００ｂについて説明する。図９は、燃料電池２００ｂの模式的断面図である。図９に示すように、燃料電池２００ｂが図１に示す実施例１に係る燃料電池２００と異なる点は、スタック１０を２つ有する点である。燃料電池２００ｂにおいては、それぞれの側壁同士が対向するように各セル１２が配置される。その他の構成は、実施例１と同じであるため説明を省略する。

燃料電池２００ｂにおける第１配管部２０は、図２〜図６のいずれかに示したバネ配管により構成される。そのため、第１配管部２０は、反応ガス用配管として機能するとともに、スタック１０の寸法吸収装置としての機能を有する。したがって、燃料電池２００ｂにおいても、反応ガスおよび冷媒の供給効率を向上させることができる。

本発明の第１実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 第１実施例に係る第１配管部の模式図である。 第１実施例の変形例１に係る第１配管部の模式図である。 第１実施例の変形例２に係る第１配管部の模式図である。 第１実施例の変形例３に係る第１配管部の模式図である。 第１実施例の変形例４に係る第１配管部の模式図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。 本発明の第２実施例に係る燃料電池の効果を示す模式的断面図である。 本発明の第３実施例に係る燃料電池の模式的断面図である。

符号の説明

１０ スタック
１２ セル
２０ 第１配管部
３０ 第２配管部
４０ ケース部
２００ 燃料電池

Claims (6)

1. 複数のセルが積層されたスタックと、
   前記セルの積層方向にある前記スタックの端面のうちいずれか一方の端面に設けられた第１配管部と、
   前記スタックの前記第１配管部とは反対側の端面に設けられた第２配管部と、を備え、
   前記第１配管部、前記セルの流路および前記第２配管部は、連通し、
   前記第１配管部および前記第２配管部のいずれか一方は、バネ配管により構成されることを特徴とする燃料電池。
2. 前記第１配管部および前記第２配管部の両方とも前記バネ配管により構成されることを特徴とする請求項１記載の燃料電池。
3. 前記バネ配管は、コイルバネ形状を有する配管であることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
4. 前記バネ配管は、内部に反応ガスが流動するための流路が形成された板バネからなることを特徴とする請求項１または２に記載の燃料電池。
5. 前記第１配管部および前記第２配管部は、燃料ガスが流動するための燃料ガス配管と、酸化剤ガスが流動するための酸化剤ガス配管とを含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の燃料電池。
6. 前記第１配管部および前記第２配管部は、前記セルを冷却するための冷媒が流動するための冷媒配管を含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の燃料電池。

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